Fabrication, characterization and modeling of high efficiency inverted polymer solar cells

Abstract

Els avenços en les tecnologies d'energia renovable encara permeten obtenir bons rendiments amb un cost menor que els preus dels combustibles fòssils. L'energia fotovoltaica (cèl·lules solars) és la tecnologia d'energia solar més desenvolupada pel fet que converteix directament l'energia de la llum solar en electricitat. Les cèl·lules solars orgàniques basades en polímers: materials de fullerne (PSC) es consideren una font d'energia prometedora de baix cost. Avui dia, els PSC han d'exhibir alta eficiència, llarga vida útil, fabricació de baix cost i qualitats amigables amb el medi ambient per a la seva comercialització a gran escala. Aquí es va descriure la fabricació, el modelatge i la caracterització de cèl·lules solars orgàniques basades en polímers amb arquitectura invertida (iPSCs). La tesi se centra en l'estudi de la millora simultània de l'eficiència i l'estabilitat a llarg termini dels iPSCs basats en polímers: fullerens. Els polímers PTB7 i PTB7-Th es van usar com materials donants d'electrons, mentre que el fullereno PC70BM es va usar com a acceptor d'electrons. Es van usar òxid de zinc (ZnO) i òxid de titani (TiOx) com capes de transport d'electrons (ETL), a més es va usar PFN per a propòsits de comparació. Tots els dispositius iPSC es van caracteritzar per mètodes òptics, elèctrics i fotofísics per tal de comprendre els mecanismes de pèrdua involucrats en el procés de degradació. Es van usar models de circuits equivalents per analitzar les característiques de J-V en la foscor i es van usar dades d'impedància espectroscòpica per identificar l'origen dels mecanismes de pèrdua. En aquesta tesi es van demostrar cèl·lules solars orgàniques d'alta eficiència i estables basades en PTB7: PC70BM i PTB7-Th: PC70BM amb arquitectura invertida. A més, el TiOx utilitzat com a capa de transport d'electrons és crucial per millorar l'eficiència i l'estabilitat dels iPSCs. Finalment, també es va demostrar que les capes de ZnO dipositades mitjançant impressió per raig de tinta es poden aplicar amb èxit a la fabricació de iPSCs d'alta eficiència a escala de laboratori.

Los avances en tecnologías de energía renovable permiten obtener buenos rendimientos con un costo menor que los precios de los combustibles fósiles. La fotovoltaica es la tecnología de energía solar más desarrollada debido a que convierte directamente la energía de la luz solar en electricidad. Las células solares orgánicas basadas en polímeros: materiales de fullereno (PSC) se consideran una fuente de energía prometedora de bajo costo. Hoy en día, PSC deben exhibir alta eficiencia, larga vida útil, fabricación de bajo costo y cualidades amigables con el medio ambiente para su comercialización a gran escala. Aquí se describió la fabricación,modelado y caracterización de células solares orgánicas basadas en polímeros con arquitectura invertida (iPSCs). La tesis se centra en el estudio de mejoras simultáneas de la eficiencia y estabilidad a largo plazo de iPSCs basados en polímeros: fullerenos. Los polímeros PTB7 y PTB7-Th se usaron como materiales donantes de electrones, mientras que el PC70BM se usó como aceptor de electrones. Se usaron óxido de zinc (ZnO) y titanio (TiOx) como capas de transporte de electrones (ETL), además se usó PFN para propósitos de comparación. Todos los dispositivos iPSC se caracterizaron por métodos ópticos, eléctricos y fotofísicos con el fin de comprender mecanismos de pérdida involucrados en el proceso de degradación. Se usaron modelos de circuitos equivalentes para analizar las características de J-V en oscuridad y se usaron datos de impedancia espectroscópica para identificar el origen de los mecanismos de pérdida. En esta tesis se demostraron células solares orgánicas de alta eficiencia estables basadas en PTB7: PC70BM y PTB7-Th: PC70BM con arquitectura invertida. Además, TiOx utilizado como capa transportadora de electrones crucial para mejorar la eficiencia y la estabilidad de los iPSCs. Finalmente, también se demostró que las capas de ZnO depositadas mediante impresión por chorro de tinta se pueden aplicar con éxito para fabricación de iPSCs de alta eficiencia a escala de laboratorio.

The advances on the renewable energy technologies still allow obtaining good performances with lower cost than fossil fuel prices. Photovoltaics (solar cells) is the most developed solar energy technology due to converts directly the sunlight energy into electricity. The organic solar cells based on polymer:fullerne materials (PSCs) are considered as a promising low-cost energy source. Nowadays, the PSCs must exhibit high efficiency, long lifetime, low-cost fabrication, and environmentally friendly qualities for their large-scale commercialization. Herein the fabrication, modelling and characterization of polymer-based organic solar cells with inverted architecture (iPSCs) were described. The thesis focuses on the study of the simultaneous improvement of efficiency and long-term stability of iPSCs based on polymer:fullerenes. The polymers PTB7 and PTB7-Th were used as electron donor materials, whereas the fullerene PC70BM was used as the electron acceptor. Zinc oxide (ZnO) and titanium oxide (TiOx) were used as electron transport layers (ETL), moreover PFN was used for comparison purposes. All iPSC devices were characterized by optical, electrical and photophysical methods in order to understand the loss mechanisms involved in the degradation process. Equivalent circuit models were used to analyze the J-V characteristics in the dark and impedance spectroscopy data was used to identify the origin of the loss mechanisms. High efficient and stable organic solar cells based on PTB7:PC70BM and PTB7-Th:PC70BM with inverted architecture were demonstrated in this thesis. Moreover, TiOx used as an electron transport layer is crucial for improving the efficiency and the stability of iPSCs. Finally, it was also demonstrated that ZnO layers deposited by inkjet printing can be successfully applied to the fabrication of high efficiency iPSCs at laboratory scale.